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第1章 绪言 1

1.1 什么是光子学 1

1.2 什么是计算光子学 3

1.2.1 计算光子学和计算电磁学的方法 3

1.2.2 计算纳米光子学 3

1.2.3 光电商用软件一览 4

1.3 光纤通信 5

1.3.1 光纤通信的简介 5

1.3.2 通信简史 5

1.3.3 光纤的发展 8

1.3.4 与电传输的比较 9

1.3.5 管理标准 10

1.3.6 波分复用 10

1.3.7 孤子 11

1.4 生物和医学光子学 12

1.5 光子传感器 12

1.6 硅光子学 13

1.7 光量子信息科学 13

参考文献 13

第2章 光学的基本知识 17

2.1 几何光学 17

2.1.1 射线理论及其应用 17

2.1.2 临界角 18

2.1.3 透镜 19

2.1.4 折射率梯度变化系统 20

2.2 波动光学 21

2.2.1 相速度 22

2.2.2 群速度 23

2.2.3 斯托克斯关系 24

2.2.4 电介质薄膜中的干涉 26

2.2.5 平板中光束的多次干涉 28

2.2.6 法布里－珀罗干涉仪 30

2.3 习题 31

附录2A：本章Matlab的函数清单和代码 32

参考文献 35

第3章 电磁学基础 36

3.1 麦克斯韦方程组 36

3.2 边界条件 37

3.2.1 电场边界条件 38

3.2.2 磁场边界条件 39

3.3 波动方程 40

3.4 时谐场 40

3.5 偏振波 43

3.5.1 线偏振波 43

3.5.2 圆偏振和椭圆偏振波 44

3.6 菲涅耳系数和相位 45

3.6.1 TE偏振 46

3.6.2 TM偏振 49

3.7 电介质界面反射造成的偏振 50

3.8 抗反射涂层 52

3.9 布拉格镜 56

3.10 古斯－汉欣位移 60

3.11 坡印亭定理 62

3.12 习题 63

3.13 课题 63

附录3A：本章Matlab的函数清单和代码 63

参考文献 66

第4章 平板波导 67

4.1 平板波导的射线光学 67

4.1.1 数值孔径 67

4.1.2 导波模式 68

4.1.3 横向共振条件 69

4.1.4 横向条件－归一化形式 70

4.2 电介质波导的电磁学理论基础 72

4.2.1 一般性讨论 72

4.2.2 通用方程的简约形式 73

4.3 平面宽波导的波动方程 74

4.4 三层对称的导波结构（TE模式） 76

4.5 一维任意三层不对称平面波导的模式 79

4.5.1 TE模式 79

4.5.2 TE模式的场分布 81

4.6 一维方法处理多层平板波导 84

4.6.1 TE模式 84

4.6.2 传播常数 87

4.6.3 电场 89

4.6.4 TM模式 89

4.7 一维方式的实例 90

4.7.1 四层无衰减波导 90

4.7.2 六层耗散波导 90

4.7.3 维瑟结构 92

4.8 二维结构 93

4.9 习题 96

4.10 课题 96

附录4A：本章Matlab的函数清单和代码 96

参考文献 111

第5章 线状光纤和信号退化 112

5.1 几何光学概述 112

5.1.1 数值孔径（NA） 113

5.1.2 多路径色散 114

5.1.3 光纤的信息运载能力 114

5.1.4 硅光纤的损耗机制 115

5.1.5 固有损耗 116

5.1.6 外在损耗 116

5.2 柱坐标中的光纤模式 116

5.2.1 柱坐标中的麦克斯韦方程 117

5.2.2 柱坐标的波动方程 118

5.2.3 柱坐标中波动方程的解 119

5.2.4 边界条件和模式方程 122

5.2.5 模式分类 123

5.2.6 m=0时的模式 123

5.2.7 弱导波近似（wga） 125

5.2.8 统一表达式 127

5.2.9 基本模式HE11的通用关系 128

5.2.10 单模光纤 129

5.2.11 截止条件 130

5.3 色散 130

5.3.1 群延时的概论 131

5.3.2 材料色散：谢米尔方程 132

5.3.3 波导色散 133

5.4 传播中的脉冲色散 133

5.5 习题 135

5.6 课题 135

附录5A：贝塞尔函数的特性 136

附录5B：特征行列式 137

附录5C：本章Matlab的函数清单和代码 138

参考文献 145

第6章 线性脉冲的传播 146

6.1 基本脉冲 146

6.1.1 矩形脉冲 146

6.1.2 高斯脉冲 148

6.1.3 超高斯脉冲 149

6.1.4 啁啾高斯脉冲 149

6.2 半导体激光器的调制 150

6.2.1 调制制式 151

6.2.2 波形的建立 153

6.3 存在色散时脉冲传播方程的简单推导 154

6.4 线性脉冲的数学理论 156

6.5 脉冲的传播 160

6.5.1 调频高斯脉冲传播的分析 160

6.5.2 傅里叶变换的数值方法 161

6.5.3 傅里叶分步变换法 162

6.6 习题 164

附录6A：本章Matlab的函数清单和代码 164

参考文献 176

第7章 光源 178

7.1 激光器的概论 178

7.1.1 TLS中的跃迁 180

7.1.2 激光振荡和谐振模式 182

7.2 半导体激光器 183

7.2.1 半导体中的电子跃迁 185

7.2.2 同质pn结 187

7.2.3 异质结构 188

7.2.4 光学增益 190

7.2.5 确定光增益 191

7.3 速率方程 193

7.3.1 载流子 194

7.3.2 光子 194

7.3.3 速率方程参数 195

7.3.4 电场速率方程的推导 196

7.4 速率方程的分析 199

7.4.1 稳态分析 199

7.4.2 线性增益模式的小信号分析 199

7.4.3 增益饱和时的小信号分析 201

7.4.4 量子阱激光器的大信号分析 204

7.4.5 频率啁啾 204

7.4.6 等效电路模式 205

7.4.7 体激光器的等效电路 205

7.5 习题 208

7.6 课题 208

附录7A：本章Matlab的函数清单和代码 208

参考文献 215

第8章 光放大器和掺铒光纤放大器 217

8.1 一般特性 219

8.1.1 增益谱和带宽 219

8.1.2 增益饱和 221

8.1.3 放大器噪声 222

8.2 掺铒光纤放大器（EDFA） 223

8.2.1 稳态分析 225

8.2.2 有效的二能级方法 225

8.3 掺铒光纤放大器的增益特性 226

8.4 习题 228

8.5 课题 229

附录8A：本章Matlab的函数清单和代码 229

参考文献 236

第9章 半导体光放大器（SOA） 238

9.1 一般性讨论 238

9.1.1 具有小端面反射率的SOA增益公式 239

9.1.2 小端面反射率的影响 242

9.2 SOA脉冲传播速率方程 243

9.3 SOA的设计 246

9.4 SOA的应用 248

9.4.1 波长转换 248

9.4.2 基于干涉原理的全光学逻辑 249

9.5 习题 250

9.6 课题 251

附录9A：本章Matlab的函数清单和代码 251

参考文献 252

第10章 光接收器件 254

10.1 主要特征 255

10.1.1 接收器灵敏度 255

10.1.2 动态范围 255

10.1.3 比特率透明度 255

10.1.4 比特图的独立性 255

10.2 光检测器 255

10.2.1 光检测原理 256

10.2.2 光检测器的性能参数 259

10.2.3 光检测器噪声 261

10.2.4 检测器的设计 263

10.3 接收器之分析 264

10.3.1 理想光接收器的比特误差 265

10.3.2 接收器的误差概率 266

10.3.3 比特率和高斯噪声 268

10.4 光电接收器的建模 271

10.5 习题 271

10.6 课题 271

附录10A：本章Matlab的函数清单和代码 271

参考文献 273

第11章 时域有限差分法 275

11.1 通用公式 275

11.1.1 三维公式 276

11.1.2 二维公式 276

11.1.3 一维模型 277

11.1.4 高斯脉冲和调制高斯脉冲 278

11.2 无色散时的一维叶氏算法 279

11.2.1 无损耗情况 279

11.2.2 确定网格尺度 281

11.2.3 色散与稳定性 282

11.2.4 稳定性判据 284

11.2.5 一维有损耗模式 284

11.3 一维边界条件 285

11.3.1 穆尔一阶吸收边界条件（ABC） 285

11.3.2 一维二阶边界条件 287

11.4 二维无色散的叶氏算法 289

11.5 二维吸收边界条件 291

11.6 色散 293

11.7 习题 294

11.8 课题 294

附录11A：本章Matlab的函数清单和代码 295

参考文献 301

第12章 波束传播法（BPM） 302

12.1 傍轴公式 303

12.1.1 引言 303

12.1.2 运算子D和W 304

12.1.3 傅里叶变换分步法的实施 305

12.2 一般理论 307

12.2.1 绪论 307

12.2.2 慢变化包络近似（SVEA） 309

12.2.3 半矢量BPM 311

12.2.4 标量公式 311

12.2.5 有限差分（FD）近似 311

12.3 1＋1维有限差分波束传播法公式 312

12.3.1 简单近似 313

12.3.2 传播运算子方法 313

12.3.3 透明边界条件 318

12.4 结束语 320

12.5 习题 321

12.6 课题 321

附录12A：FD-BPM方程的推导细节 321

附录12B：本章Matlab的函数清单和代码 324

参考文献 329

第13章 波分复用（WDM）器件 331

13.1 WDM系统之基本 331

13.2 基本的WDM技术 332

13.2.1 光纤布拉格光栅 332

13.2.2 阵列波导栅格 333

13.2.3 耦合器和分束器 333

13.2.4 无源耦合器的数学理论 334

13.2.5 光隔离器 338

13.3 BPM在光电器件中的应用 338

13.4 课题 339

附录13A：本章Matlab的函数清单和代码 340

参考文献 346

第14章 光链路 348

14.1 光通信系统 348

14.2 设计光链路 349

14.2.1 功率预算分析 350

14.2.2 上升时间预算 351

14.3 测量光链路性能 352

14.4 线性系统的光滤波器 354

14.5 基于滤波功能的光链路模式 356

14.5.1 方脉冲的试验分析 356

14.5.2 发射器 357

14.5.3 光纤 358

14.5.4 接收器 359

14.5.5 光链路模型的实现 359

14.6 习题 360

14.7 课题 360

附录14A：本章Matlab的函数清单和代码 360

参考文献 365

第15章 光孤子 368

15.1 非线性光学极化率 368

15.2 主要的非线性效应 369

15.2.1 克尔效应 369

15.2.2 受激拉曼散射 370

15.3 非线性薛定谔方程的推导 370

15.4 分步傅里叶方法 374

15.4.1 分步傅里叶变换法 376

15.4.2 对称分步傅里叶变换法 377

15.5 数值结果 378

15.5.1 单孤子 378

15.5.2 啁啾孤子波 379

15.5.3 两个相互作用的孤子波 379

15.6 基于孤子通信的几个结论 380

15.7 习题 381

附录15A：本章Matlab的函数清单和代码 381

参考文献 383

第16章 光伏电池 385

16.1 引言 385

16.2 光伏电池原理 387

16.3 光伏电池的等效电路 390

16.3.1 基本模型 390

16.3.2 其他模型 391

16.4 多结光伏电池 393

16.4.1 多结量子点 394

16.4.2 中间带光伏电池 394

16.4.3 数值仿真的作用 395

附录16A：本章Matlab的函数清单和代码 396

参考文献 398

第17章 超材料 400

17.1 引言 400

17.2 韦谢拉戈方法 403

17.2.1 波动方程 403

17.2.2 左手材料 404

17.2.3 光线的折射 404

17.3 如何构造超材料 405

17.3.1 在微波下超材料具有负有效介电常数 405

17.3.2 磁学性能：开口环振荡器（SRR） 407

17.4 超材料的一些应用 411

17.4.1 完美透镜 411

17.4.2 在超材料中的静止光 411

17.4.3 隐形 413

17.4.4 光学黑洞 414

17.5 有源超材料 415

17.6 特别加注的参考书目 415

附录17A：本章Matlab的函数清单和代码 416

参考文献 418

附录A Matlab的基本知识 421

A.1 m－文件的工作部分 422

A.2 基本法则 424

A.3 Matlab编程中的良好习惯 425

A.3.1 预置内存 426

A.3.2 矢量化的循环 426

A.4 作图之基本 427

A.4.1 二维作图之基本 427

A.4.2 二维作图 427

A.4.3 三维作图和动画作图 431

A.5 基本的输入－输出 439

A.5.1 写入文件 439

A.5.2 读出文件 440

A.6 数值微分法 440

A.7 复习问题 442

参考文献 442

附录B 基本数值方法总结 443

B.1 单变量的牛顿法 443

B.2 穆勒法 444

B.3 数值微分 448

B.3.1 利用泰勒级数展开的数值微分 449

B.3.2 插入多项式的数值微分 450

B.3.3 克侬克－尼科尔森法 452

B.3.4 数值微分的简单方法 452

B.4 龙格－库塔（RK）法 455

B.4.1 二阶龙格－库塔法 455

B.4.2 四阶龙格－库塔法 456

B.5 求解算微分方程 456

B.5.1 单个微分方程 456

B.5.2 微分方程系统 457

B.6 数值积分 459

B.6.1 欧拉法 459

B.6.2 梯形法则 459

B.6.3 辛普森法则 460

B.7 Matlab符号积分法 461

B.8 傅里叶级数 461

B.8.1 改变积分区间 462

B.8.2 实例 463

B.9 傅里叶变换 464

B.10 Matlab中的FFT 466

B.11 习题 469

参考文献 469

附录C本书Matlab清单的作图总汇 470

索引 481

本书Matlab函数名及关键词索引 488